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人間の脳の電気の流れは、ネットワークの単純な数学を使って予測できることが、新しい研究で明らかになった

神経線維の広大なネットワークを通じて、電気信号が常に脳内を駆け巡っている。この複雑な活動が、最終的に私たちの思考、感情、行動を生み出すのだが、うまくいかないと精神衛生や神経学的な問題を引き起こす可能性もある。

このような疾患に対する新たな治療法として、脳への刺激がある。電気や磁気のパルスで脳のある部位を刺激すると、神経接続のネットワークを通じて信号のカスケードが引き起こされる。

しかし、現時点では、これらのカスケードがどのようにして脳全体の活動に影響を与えるのか、科学者たちはよく分かっていない。これは、脳刺激療法の効果を制限する重要な欠落部分だ。

本日、Neuron誌に掲載された最新の研究では、ネットワークの数学を使って、脳刺激の広がりを予測できることを発見した。

脳内の電気信号を追跡する

人間の脳内のコミュニケーションを研究するのは難しい。なぜなら、電気信号が脳のある部分と別の部分の間を千分の一秒のスケールで非常に速く移動するからだ。

さらに複雑なことに、信号の伝達は、脳のすべての部位をつなぐ神経線維の非常に複雑なネットワークを通じて行われる。そのため、脳内を伝わる信号を観察することすら困難なのだ。

しかし、非常に特殊で制御された状況下では、侵襲性電極を使用して、脳信号の伝播を正確に追跡することが出来る。侵襲性電極とは、同意を得た患者さんの脳に外科的に挿入する器具だ。

このような侵襲的な処置は、患者さんを助けることが第一の目的である場合、非常に特殊な状況でしか行えないということを強調しておく。私たちの場合、患者さんは重度のてんかん患者さんだった。てんかんの患者さんが薬物療法に反応しない場合、脳内で起こっている可能性のある現象を医師がより詳しく知るために、電極を使用することを選択することが出来る。

本研究は、北米、アジア、ヨーロッパの20以上の病院において、550人のてんかん患者ボランティアからなる大規模なグループに基づいて行われたものだ。

電極は、電気パルスで脳の領域を優しく刺激すると同時に、患者さんの脳の活動を記録する方法だ。私たちは、脳の異なる位置に設置した電極のデータを使って、ある部位から別の部位への電気パルスの伝達を追跡した。

研究の最後の仕上げとして、MRIスキャンを使って、コネクトームと呼ばれる人間の脳の神経線維のネットワークを再構築した。これにより、脳内で電気信号が伝達される物理的な配線のモデルを得ることが出来たのだ。

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コネクトームのモデルを構築するには、3つのステップがある。まず、人間の脳の解剖学的構造を考慮する。次に、MRIスキャンを使用して、すべての神経接続繊維の3Dモデルを作成する。最後に、脳の配線ネットワークを再構築し、脳の領域間のコミュニケーションを理解するために使用する。 (Credit: Left: Wikimedia Commons. Centre and right: author provided.)

ネットワーク通信の数学

では、コネクトームの複雑な配線を介して、どのように信号が伝達されるのだろうか。

単純に考えられるのは、信号はコネクトームの中で最も直接的な経路を通るということだ。ネットワークで言えば、電気パルスは、ある領域から別の領域へ、その間にある中間領域の最短経路を通るということだ。

もうひとつは、信号がネットワーク拡散によって広がっていくという考え方です。これを理解するために、パイプのネットワークを水がどのように流れていくかを考えてみよう。

水がネットワークの分岐点に到達するたびに、流れは分岐した経路に分かれていく。分岐点が多ければ多いほど、分岐の数も多くなり、流れは弱くなる。しかし、分岐した経路の一部が下流で再び合流すれば、再び流れの強さが増す。この例えの場合、ネットワーク内のすべての接続(パイプ)は、最も直接的な経路に沿ったものだけでなく、信号(水)の流れを形成することに貢献する。

私たちが見つけたもの

最短経路と拡散流という2種類のネットワーク通信は、脳を刺激した後に電気信号がコネクトームの配線を伝わっていく様子を説明するための2つの競合する仮説だ。現在、科学者たちは、どちらの仮説が脳内で起こっていることに最もよく合致しているのか、確信を持っていない。

今回の研究は、この議論に決着をつけようとする最初の試みの一つである。そのために、患者の脳の電極で測定した電気信号の伝搬を、最短経路と拡散のどちらが最もよく予測できるかを検討した。

データを分析した結果、拡散流仮説を支持する証拠が見つかった。つまり、最短経路を通る神経接続だけでなく、より多くの神経接続が、脳への刺激がコネクトームを下降させる方法を形成しているということだ。

これは科学者にとって重要な情報であり、神経接続の物理的な配線が脳の活動や機能にどのように寄与しているかを理解するのに役立つ。

今後の課題は?

私たちの研究は、この種のものとしては初めてのものであり、発見したことを確認するためには、さらなる研究が必要だ。また、脳内コミュニケーションの解明が進むことで、臨床研究者が精神疾患に対するより良い脳刺激療法を考案するのに役立つことを期待している。

脳への刺激は、機能不全に陥った脳領域間のコミュニケーションを「回復」させるのに役立つ。例えば、非侵襲的な刺激(頭蓋骨の外で行われ、手術の必要がない)は、オーストラリアで利用できる大うつ病性障害の治療法である。

今後の研究では、今回報告した発見が、このような脳刺激治療の治療効果を高めるために利用できるかどうかを調査する予定だ。


本記事は、Caio Seguin氏、Andrew Zalesky氏らによって執筆され、The Conversationに掲載された記事「Electricity flow in the human brain can be predicted using the simple maths of networks, new study reveals」について、Creative Commonsのライセンスおよび執筆者の翻訳許諾の下、翻訳・転載しています。

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